Fisica_General (4)

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F́ısica General
Ignacio Mart́ın Bragado
imartin@ele.uva.es
12 de febrero de 2003
2 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
Índice general
Índice General 3
Índice de Figuras 11
I Sobre este libro 13
1. Distribución de este documento 15
II Teoŕıa, esquemas para la resolución de problemas y
ejercicios resueltos 17
2. Introducción 19
2.1. Signos empleados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3. Esquema 21
4. Introducción al cálculo vectorial 23
4.1. Magnitudes escalares y vectoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.1. Representación matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2. Operaciones vectoriales unarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.1. Operaciones unarias diferenciales . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3. Operaciones vectoriales binarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3.1. Equivalencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3.2. Suma y resta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3.3. Producto escalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.4. Producto vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.5. Producto mixto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5. Cinemática 29
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2. Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.3. Aceleración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.4. Componentes intŕınsecas de la aceleración . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.5. Clasificación de movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.6. Composición de movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.6.1. Translación pura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.6.2. Rotación pura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.7. Resolución de problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.7.1. Tiro parabólico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.7.2. Componentes intŕınsecas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.7.3. Cálculo de trayectorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3
ÍNDICE GENERAL
6. Dinámica 35
6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.2. Leyes de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.2.1. Ley de la inercia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.2.2. Segunda ley de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.2.3. Tercera ley de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.3. Fuerzas especiales que aparecen en problemas . . . . . . . . . . . . . 36
6.3.1. Normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.3.2. Rozamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.4. El momento lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.4.1. Conservación del momento lineal . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.5. Conservación de la enerǵıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.6. Resolución de problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.6.1. Planos inclinados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.6.2. Curvas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.6.3. Casos ĺımite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7. Consideraciones energéticas 45
7.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.2. Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7.2.1. Trabajo conservativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.3. Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
7.4. Enerǵıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.5. Conceptos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.5.1. Enerǵıa cinética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.5.2. Potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.6. Conservación de la enerǵıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.6.1. Rozamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7.7. Impulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.8. Gradiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8. Dinámica de un sistema de part́ıculas 55
8.1. Conceptos y definiciones primarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
8.2. Centro de masas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
8.2.1. Teorema de Pappus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
8.3. Dinámica del centro de masas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.3.1. Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.3.2. Aceleración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.3.3. Momento lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.3.4. Enerǵıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.4. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
8.4.1. Sistema de referencia del centro de masas . . . . . . . . . . . 57
8.4.2. Problemas de dos cuerpos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.4.3. Colisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
9. Dinámica de la rotación 59
9.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.1.1. Sólido ŕıgido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.1.2. Analoǵıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.2. Momento de una fuerza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.3. Momento angular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
9.4. Momento de inercia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
9.4.1. Teorema de Steiner o de los ejes paralelos . . . . . . . . . . . 61
9.4.2. Teorema de las figuras planas o de los ejes perpendiculares. . 62
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ÍNDICE GENERAL
9.4.3. Relación del momento de inercia respecto a un punto con los
tres ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
9.5. Ecuación de la dinámica de rotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
9.5.1. Conservación del momento angular . . . . . . . . . . . . . . . 63
9.6. Enerǵıa de rotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
9.7. Algunos problemas t́ıpicos de rotación . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
9.7.1. Cuerpos rodantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.7.2. Poleas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.7.3. Estática y equilibrios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.7.4. Cálculo de la aceleración angular de un cuerpo . . . . . . . . 65
9.7.5. Cálculo de momentos de inercia . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
9.7.6. Variación de la forma del cuerpo que gira . . . . . . . . . . . 65
9.7.7. Conservación de la enerǵıa para cuerpos rodantes . . . . . . . 66
10.Conceptos generales de campos 67
10.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
10.2. Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
10.3. Formalismo matemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
10.4. Flujo de un campo vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.5. Gradiente de un campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.6. Ley de Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.7. Circulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
10.8. Representación gráfica de los campos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
10.8.1. Campo escalar . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 69
10.8.2. Campo vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
11.Gravitación y campo gravitatorio 71
11.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
11.2. Ley de la gravitación universal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
11.2.1. Enunciado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
11.2.2. Las leyes de Kepler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
11.2.3. Principio de superposición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
11.3. Campo gravitatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
11.3.1. Concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
11.3.2. Entidad matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
11.4. Enerǵıa potencial gravitatoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
11.5. Problemas concretos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
11.5.1. Cálculo de la fuerza gravitatoria ejercida por un sistema de
part́ıculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
11.5.2. Cálculo de la fuerza gravitatoria ejercida por un cuerpo continuo 75
11.5.3. Problemas de satélites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
11.5.4. Velocidad de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
11.5.5. Medida de la gravedad en la superficie de un planeta . . . . . 76
11.5.6. Cálculo de la atracción gravitatoria de algunos sólidos simples 76
12.Campo y potencial eléctrico 79
12.1. Preliminar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
12.2. Ley de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
12.2.1. Principio de superposición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
12.3. Campo eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
12.4. Ley de Gauss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
12.5. Potencial y enerǵıa eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
12.5.1. Algunos casos particulares de potencial eléctrico . . . . . . . 81
12.6. Condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
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ÍNDICE GENERAL
12.6.1. Asociación de condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
13.Movimiento armónico simple 83
13.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
13.2. Dinámica del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
13.2.1. Ecuación del movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
13.2.2. Periodicidad de la ecuación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
13.2.3. Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
13.2.4. Aceleración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
13.3. Enerǵıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
13.3.1. Enerǵıa cinética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
13.3.2. Enerǵıa potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
13.3.3. Enerǵıa mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
13.4. El péndulo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
14.Ondas 89
14.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
14.1.1. Tipos de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
14.2. Ecuación general de una onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
14.3. Ecuación de una onda armónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
14.3.1. Periodo y frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
14.3.2. Longitud de onda y número de ondas . . . . . . . . . . . . . 91
14.4. Consideraciones energéticas de las ondas . . . . . . . . . . . . . . . . 93
14.4.1. Enerǵıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
14.4.2. Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
14.4.3. Intensidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
15.Fenómenos ondulatorios 95
15.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
15.2. Principio de Huygens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
15.3. Interferencia entre ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
15.3.1. Ondas coherentes: Interferencias constructivas y destructivas 96
15.3.2. Ondas estacionarias: Propagación en direcciones opuestas . . 99
15.4. Otras propiedades de las ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
15.4.1. Difracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
15.4.2. Polarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
15.4.3. Otras propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
15.5. Reflexión y refracción de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
15.5.1. Reflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
15.5.2. Refracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
15.5.3. Principio de Fermat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
16.Electromagnetismo 107
16.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
16.2. Fuerza de Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
16.2.1. Fuerza sobre una corriente eléctrica . . . . . . . . . . . . . . 108
16.3. Campo magnético debido a una carga en movimiento . . . . . . . . . 108
16.3.1. Campo magnético producido por una corriente eléctrica . . . 109
16.4. Ley de Ampère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
16.5. Resolución de problemas t́ıpicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
16.5.1. Part́ıcula sometida a un campo magnético constante y uniforme110
16.5.2. Fuerza magnética experimentada por un conductor recto y
perpendicular al campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . 110
16.5.3. Campo magnético creado por un conductor recto e infinito . 110
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ÍNDICE GENERAL
16.5.4. Campo producido por una espira en su eje . . . . . . . . . . . 111
16.5.5. Campo magnético en el interior de un solenoide infinito . . . 112
16.5.6. Fuerzas entre corrientes paralelas . . . . . . . . . . . . . . . . 113
17.Inducción electromagnética 115
17.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
17.2. Ley de Faraday-Henry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
17.2.1. Ley de Lenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
17.3. Fuerza electromotriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
17.4. Autoinducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
17.4.1. Inducción mutua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
17.5. Enerǵıa magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
17.6. Problemas y aplicaciones de inducción electromagnética . . . . . . . 118
17.6.1. Generadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
17.6.2. Transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
17.6.3. Autoinducción de un solenoide . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
18.La naturaleza de la luz. Dualidad onda corpúsculo de la materia 121
18.1. Introducción histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
18.2. El cuerpo negro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
18.3. El efecto fotoeléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
18.3.1. Descripción del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
18.3.2. Solución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
18.4. Efecto Compton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
18.5. Naturaleza ondulatoria de la materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
18.6. Resumen: Dualidad onda-corpúsculo dela luz y la materia . . . . . . 126
19.Fundamentos de F́ısica Nuclear 129
19.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
19.2. El núcleo atómico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
19.2.1. Algunas definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
19.2.2. Caracteŕısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
19.3. Radiactividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
19.3.1. Radiactividad α . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
19.3.2. Radiactividad β . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
19.3.3. Radiactividad γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
19.4. Caracteŕısticas de los procesos radiactivos . . . . . . . . . . . . . . . 132
19.4.1. Cinética de las reacciones nucleares: Ley de desintegración . . 132
19.4.2. Las series radiactivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
19.5. Reacciones nucleares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
19.5.1. Fisión nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
19.5.2. Fusión nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
III Prácticas de laboratorio 137
20.Cambios de fase y descenso ebulloscópico 139
20.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
20.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
20.3. Realización práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
20.3.1. Parte 1: Cambios de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
20.3.2. Parte 2: Descenso ebulloscópico . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
20.4. Precauciones a tener con la práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
F́ısica General. http://www.ele.uva.es/˜imartin/libro/index.html 7
ÍNDICE GENERAL
21.Carga y descarga de un condensador. 143
21.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
21.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
21.3. Realización de la práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
21.4. Apéndice: Resolución de la ecuación diferencial . . . . . . . . . . . . 145
22.Principio de Arqúımedes: Determinación de la densidad 147
22.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
22.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
22.2.1. Medición de la densidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
22.3. Realización práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
23.Experiencia de Faraday. Inducción. 149
23.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
23.2. Introducción histórica y teórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
23.3. Realización práctica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
24.Iniciación a la hidráulica: Diversas experiencias. 151
24.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
24.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
24.3. Realización práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
24.4. Objetivo de la práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
25.Comprobación de la ley de Ohm. 155
25.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
25.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
25.3. Realización práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
25.4. Precauciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
26.Solución al problema planteado en el método cient́ıfico 157
26.1. Advertencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
26.2. Solución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
27.El método cient́ıfico 159
27.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
27.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
27.3. Realización práctica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
28.Estudio de un muelle. 161
28.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
28.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
28.3. Realización práctica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
29.Experiencia de Oersted. 165
29.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
29.2. Introducción histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
29.3. Realización práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
30.Comprobación de la ley de Ohm 167
30.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
30.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
30.3. Realización práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
ÍNDICE GENERAL
31.Uso elemental de un osciloscopio 169
31.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
31.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
31.2.1. El osciloscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
31.2.2. El generador de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
31.3. Realización práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
31.4. Precauciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
32.Estudio de un péndulo. 173
32.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
32.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
32.3. Realización práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
33.Cálculo de la aceleración de un sistema mediante dinámica y cin-
emática 175
33.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
33.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
33.3. Realización práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
34.Medición de la humedad mediante un psicrómetro 177
34.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
34.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
34.3. Realización práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
35.Resistencias en serie y en paralelo. 179
35.1. Material experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
35.2. Introducción teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
35.2.1. Acople en serie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
35.2.2. Acople en paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
35.3. Realización de la práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
IV Apéndices 183
A. Esquemas y formulario 185
A.1. Cálculo vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
A.2. Cinemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
A.2.1. Movimiento circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.3. Dinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.3.1. Translación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.3.2. Rotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.4. Trabajo y Enerǵıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
A.5. Movimiento armónico simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
A.6. Campo y potencial eléctrico y gravitatorio . . . . . . . . . .. . . . . 188
A.7. Circuitos de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
A.8. Electromagnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
B. Movimiento de un cuerpo en el campo gravitatorio bajo el roza-
miento con el aire 191
B.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
B.2. Planteamiento de la ley de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
B.3. Interpretación de la ecuación de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . 191
B.4. Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
F́ısica General. http://www.ele.uva.es/˜imartin/libro/index.html 9
ÍNDICE GENERAL
C. Tablas y fórmulas útiles 193
C.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
C.2. Cálculo complejo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
C.3. Cálculo vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
C.4. Funciones elementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
C.4.1. Trigonométricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
C.4.2. Logaŕıtmicas y exponenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
C.5. Derivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
C.5.1. Propiedades generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
C.5.2. Tabla de derivadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
C.6. Integración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
C.6.1. Definición y propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
C.6.2. Tabla de integrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
D. Agradecimientos 197
Bibliograf́ıa 198
10 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
Índice de figuras
4.1. El ángulo entre dos vectores y sus proyecciones. . . . . . . . . . . . . 27
5.1. Relación vectorial entre unos y otros sistemas. El conductor verá la
piedra que cae como ~rcp = ~rc − ~rp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6.1. Descomposición de las fuerzas en un plano inclinado. . . . . . . . . . 39
6.2. ¿Cuál será la aceleración de este sistema? . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.3. Distintas situaciones ante una curva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.4. ¿Desde qué altura podrá una masa realizar un bucle?. . . . . . . . . 43
7.1. ¿A qué velocidad llegará al final?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
9.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
11.1. Campo ~g generado por una varilla delgada. . . . . . . . . . . . . . . 76
12.1. Asociación de condensadores en serie y en paralelo. . . . . . . . . . . 81
13.1. Descomposición de las fuerzas en un péndulo. . . . . . . . . . . . . . 87
14.1. Periodo de una onda armónica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
14.2. Longitud de onda de una onda armónica. . . . . . . . . . . . . . . . 93
15.1. Esquema de un fenómeno de interferencias. . . . . . . . . . . . . . . 96
15.2. Representación de una interferencia (casi) constructiva. . . . . . . . 97
15.3. Representación de una interferencia destructiva. . . . . . . . . . . . . 98
15.4. Experiencia de Young. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
15.5. Reflexión de una onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
15.6. Explicación según el principio de Huygens de la reflexión. . . . . . . 103
15.7. Refracción de una onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
15.8. Explicación según el principio de Huygens de la refracción. . . . . . 104
16.1. Geometŕıa para calcular el campo magnético en el eje de una espira. 111
16.2. Trayectoria para un solenoide infinito. . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
17.1. Circuito con una resistencia y una autoinducción. . . . . . . . . . . . 117
17.2. Corriente alterna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
17.3. Esquema simplificado de un transformador. . . . . . . . . . . . . . . 120
18.1. Dibujo de un “cuerpo negro”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
18.2. Distribución espectral de la radiación emitida por un cuerpo negro a
distintas temperaturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
18.3. Dispositivo simplificado para la medición del efecto fotoeléctrico. . . 124
11
ÍNDICE DE FIGURAS
19.1. Serie radiactiva del uranio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
21.1. Circuito con condensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
21.2. Carga de un condensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
24.1. Frasco de Mariotte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
25.1. Circuito a realizar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
28.1. Medida de la elongación del muelle al poner el peso. . . . . . . . . . 162
30.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
31.1. Mandos fundamentales de un osciloscopio. . . . . . . . . . . . . . . . 170
33.1. Sistema de poleas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
35.1. Resistencias en serie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
35.2. Resistencias en paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
12 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
Parte I
Sobre este libro
13
Caṕıtulo 1
Distribución de este
documento
Este libro ha sido escrito ı́ntegramente por Ignacio Mart́ın Bragado y todo su
material es original, incluyendo los gráficos que contiene, excepto los iconos de am-
pliación, recuerda, nota, problema y resolución que han sido tomados del proyecto
GNOME (distribuido con licencia GPL) y modificados. Ha sido compuesto utilizan-
do LATEXsobre un ordenador AMD K6 utilizando un sistema operativo GNU/Linux.
Se permite la reproducción de los contenidos de este libro siempre y cuando
quede absolutamente expĺıcita la procedencia de este documento y su autor y se
conserve esta leyenda.
No se permite la modificación de ningún tópico de este libro. Si desea re-
alizar alguna corrección hágalo poniéndose en contacto con el autor en la dirección
imartin@ele.uva.es
La dirección web original de este material es:
http://www.ele.uva.es/~imartin/libro/index.html
15
CAPÍTULO 1. DISTRIBUCIÓN DE ESTE DOCUMENTO
16 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
Parte II
Teoŕıa, esquemas para la
resolución de problemas y
ejercicios resueltos
17
Caṕıtulo 2
Introducción
Este esquema pretende ser una pequeña gúıa para resolver los problemas de
f́ısica evitando las confusiones más usuales. No obstante no existe un sistema que
resuelva los problemas de f́ısica, sino que, cada uno, presenta una faceta que hemos
de descubrir haciendo uso de nuestra razón.
Este esquema no pretende ser un chuletario de los distintos tipos de problemas y
como solucionarlos, sino sólo una iniciación básica en el “arte de resolver” problemas
de f́ısica.
El planteamiento de las ecuaciones que intervienen en los procesos f́ısicos es, a
nivel general, algo complicado, puesto que son muchos los fenómenos que pueden
presentarse. En esta gúıa iremos desgajando los distintos procesos que pueden darse
y las ecuaciones involucradas.
La creación de este esquema ha sido un proceso complicado. Inicialmente con-
stituyó unos breves apuntes que se impart́ıan para un curso del (extinto o en v́ıas
de extinción) COU, pero se fueron añadiendo cosas y mezclando parte de los con-
tenidos básicos de dicho curso con algunas consideraciones de ı́ndole más práctica
fruto de la experiencia en el aula.
Actualmente el nivel de este libro hace que pueda ser utilizado para la asignatu-
ra de F́ısica de 1o de las carreras de ciencias. Para 2o de Bachillerato quizás su
nivel exceda un poco en algunos temas y no contenga otros. En cualquier caso la
concepción final de este libro es como Çurso de f́ısica general 2no como unlibro de
texto de ningún curso espećıfico de Facultad ni Instituto.
2.1. Signos empleados
⋄ Cuando aparezca algún comentario de interés, si bien no sea importante Nota
para el desarrollo del tema, se tratará de esta manera.
◦ Las partes del desarrollo que excedan un poco los objetivos de este libro,
Ampliaciónpero no por ello dejen de ser interesantes o importantes aparecerán de esta
manera.
⊲ Aquellos párrafos que sean muy importantes o que sea conveniente
Recuerda
recordar, ya que pueden constituir algún dato esencial o un resumen de
todo lo dicho se indicarán de esta forma.
P El enunciado de algunos problemas que sean posteriormente re- Problema
sueltos.
19
CAPÍTULO 2. INTRODUCCIÓN
R La resolución del problema con los cálculos y explicaciones perti-
Resoluciónnentes.
20 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
Caṕıtulo 3
Esquema
Para plantear un problema de f́ısica se pueden seguir los siguientes pasos:
Hacer un dibujo explicativo. Esto supone haber léıdo antes bien el enunciado
comprendiendo exactamente qué datos se ofrecen y qué resultados se piden.
Elegir un sistema de coordenadas adecuado, que será aquel que nos facilite
la posterior resolución del problema. Hay que ser coherente con el sistema de
coordenadas que se elija, refiriendo posteriormente a él todas las cantidades
con sus correspondientes signos.
La elección de un sistema de coordenadas no siempre es única, pero en cualquier
caso hay que hacer una que otorgue sencillez al problema, por coincidir, gen-
eralmente, con algún punto particular que pueda dar posteriormente más sim-
plicidad al planteamiento o a los cálculos.
Comprobar las fuerzas que intervienen en el problema. Suelen ser siempre
menos de las que parecen. Sobre todo no hay que olvidar la fuerza de gravedad,
de rozamiento, posibles tensiones, fuerzas elásticas1 aśı como sus reacciones.
Considerar las proyecciones sobre los ejes. Una vez comprobadas las fuerzas
que intervienen en el problema habrá que proyectarlas sobre los ejes del sis-
tema de coordenadas, para poder aśı darlas un tratamiento vectorial. Esta
proyección es más sencilla de lo que suele parecer. Basta recordar las rela-
ciones sin α y cos α.
Plantear las ecuaciones para cada eje. Pueden ser ecuaciones dinámicas del
tipo
∑
F = ma o cinemáticas. Hay que ser conscientes de que la “única
fórmula” que se suele emplear es
∑ ~F = m~a, pero que, como ésta es una
ecuación vectorial, se descompone en tantas ecuaciones como dimensiones ten-
ga el movimiento, o lo que es lo mismo, en tantas proyecciones como ejes tenga
nuestro sistema de coordenadas elegido.
Como en pasos anteriores ya hemos considerado las fuerzas que intervienen
y sus proyecciones este paso no debe ser sino un recuento cuidadoso de las
fuerzas que aparecen en un determinado eje o dirección ligándolas con la
ecuación correspondiente.
Este paso es estudiado más ampliamente en los caṕıtulos siguientes.
Relacionar las ecuaciones planteadas con los datos que tenemos y los que quer-
emos saber. Es decir, encontrar el sistema matemático que nos logrará encon-
trar la solución.
1Cuando hay muelles.
21
CAPÍTULO 3. ESQUEMA
Resolver los sistemas matemáticos involucrados. Éste es un mero ejercicio
matemático en el cual buscaremos la solución al problema.
Interpretar la solución. La interpretación de la solución consiste en mostrarse
cŕıticos hacia los resultados logrados, planteándose si estos son coherentes con
la intuición, con lo que esperábamos que saliera, si responden bien al criterio
de signos y sistema de coordenadas elegido, si tienen un orden de magnitud2
apropiado y están en las unidades oportunas, aśı como todo lo que nos parezca
oportuno indagar en nuestra propia solución.
En caso de que el resultado “parezca correcto” lo cual, lamentablemente, no
quiere decir que lo sea, podremos dar por concluido el problema. En caso
contrario es conveniente volver a repasar todo el ejercicio, o la parte de la cual
nos mostremos insegura, para ver si detectamos alguna inconsistencia.
2Es decir, si no son demasiado grandes o pequeños.
22 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
Caṕıtulo 4
Introducción al cálculo
vectorial
4.1. Magnitudes escalares y vectoriales
Llamamos magnitud escalar, o simplemente escalar, a toda magnitud que puede
expresarse simplemente con un único número. Por ejemplo, el peso o la altura de
una persona es una magnitud escalar.
Se denomina magnitud vectorial o vector a aquella medida para la cual nece-
sitamos dar “algo más que un sólo número”. Por ejemplo, para saber la velocidad
del viento además de su intensidad, es decir, tantos kilómetros por hora, se requiere
conocer su dirección y sentido, y aśı saber si viene del norte hacia el sur, etc. . . Este
tipo de magnitudes se denominan vectores.
4.1.1. Representación matemática
Matemáticamente un escalar se representa con un único número1 y un vector
con una serie de coordenadas, tantas como dimensiones tenga el espacio en el que
se representa.
Aśı un vector ~v se representa como
~v = (vx, vy, vz) = vx ı̂ + vy ̂ + vzk̂,
siendo vx, vy y vz las componentes del vector, es decir, sus proyecciones sobre los
ejes x,y y z. A su vez ı̂, ̂ y k̂ son los vectores unitarios en las direcciones de los ejes
x,y y z respectivamente.
4.2. Operaciones vectoriales unarias
Se llama módulo de un vector a lo que éste “mide”. Se calcula como
|~v| = v =
√
v2x + v
2
y + v
2
z . (4.1)
Proyección de un vector sobre un eje es “la sombra” de dicho vector sobre el eje
si la “luz que proyecta dicha sombra” cayera justo perpendicularmente. Aśı las
proyecciones de un vector ~v sobre los ejes x,y y z serán vx, vy y vz respectivamente.
1Que normalmente pertenece al cuerpo de los números reales
23
CAPÍTULO 4. INTRODUCCIÓN AL CÁLCULO VECTORIAL
El inverso de un vector es dicho vector con sus proyecciones cambiadas de signo. La
suma de un vector y su inverso da siempre el vector nulo.
−~v = (−vx,−vy,−vz).
Vector nulo es aquel vector cuyo módulo es cero. Este vector es especial, pues carece
de dirección y sentido.
~0 = (0, 0, 0).
Vector unitario de otro dado ~v es aquél que, teniendo la misma dirección y sentido
que el que se da, presenta un módulo igual a 1, se representa como v̂. Aśı
v̂ =
~v
|~v| .
4.2.1. Operaciones unarias diferenciales
Para derivar un vector ~v respecto a un parámetro t se deriva componente a
componente.
d
dt
~v = (
d
dt
vx,
d
dt
vy,
d
dt
vz).
Para integrar un vector ~v respecto a un parámetro t se integra componente a
componente. ∫
~v dt = (
∫
vx dt,
∫
vy dt,
∫
vz dt).
4.3. Operaciones vectoriales binarias
Las operaciones binarias necesitan dos vectores para poder operar sobre ellos.
Las más conocidas son:
4.3.1. Equivalencia
Dos vectores son iguales si sus coordenadas son iguales. Es decir
~a = ~b ⇒ ax = bx, ay = by, az = bz.
4.3.2. Suma y resta
La suma de varios vectores también se denomina resultante de dichos vectores.
Para sumar un vector ~a a otro ~b se suma componente a componente, es decir
~a +~b = (ax + bx, ay + by, az + bz).
Para restar un vector ~a de otro ~b se suma el inverso del vector ~b, es decir:
~a −~b = (ax − bx, ay − by, az − bz).
La resta de dos vectores iguales son es el vector cero.
~a − ~a = ~0.
24 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
CAPÍTULO 4. INTRODUCCIÓN AL CÁLCULO VECTORIAL
4.3.3. Producto escalar
El producto escalar de dos vectores da como resultado un escalar, como indica
su nombre. Para multiplicar aśı escalarmente un vector ~a por otro ~b se opera
~a ·~b = |~a||~b| cos(θ). (4.2)
Siendo θ el ángulo que forman los vectores ~a y ~b entre ellos.
El producto escalar de dos vectores, dadas sus componentes, se puede realizar
también sabiendo que
~a ·~b = axbx + ayby + azbz. (4.3)
Observando las relaciones que marcan (4.2) y (4.3) y teniendo presenta además
la relación del módulo de un vector expuesta en (4.1) se pueden deducir las siguientespropiedades del producto escalar:
Es nulo si alguno de los dos vectores es el vector nulo.
Es nulo si los dos vectores son perpendiculares.
Para proyectar un vector ~a sobre un eje marcado por un vector ~b basta con
realizar la operación
proy~b(~a) =
~a ·~b
|~a| .
Dados dos vectores se puede calcular el ángulo que forma entre ellos usando
la relación
cos(θ) =
~a ·~b
|~a||~b|
=
axbx + ayby + azbz√
a2x + a
2
y + a
2
z
√
b2x + b
2
y + b
2
z
.
4.3.4. Producto vectorial
Introducción
El producto vectorial, representado como ~a × ~b o bien como ~a ∧ ~b, tiene las
siguientes propiedades:
Es perpendicular tanto a ~a como a ~b. Es decir,
(
~a ∧~b
)
⊥~a y
(
~a ∧~b
)
⊥~b.
Su módulo es ab sinα, siendo α el ángulo que forman entre ellos. También,∣∣∣~a ∧~b
∣∣∣ = ab sin α.
Su sentido está dado por la regla del sacacorchos, entendiendo que hay que
“mover el sacacorchos” desde el primer vector al segundo.
Cálculo de las componentes de ~a ∧~b
Demostraremos en 4.3.4, quizás no muy rigurosamente, pero si ganando a cambio
mucho en simplicidad, como se puede llegar a este resultado. En cualquier caso, para
hallar cuales son las componentes del vector producto vectorial basta con saber que
si ~a = ax ı̂ + ay ̂ + az k̂ y ~b = bx ı̂ + by ̂ + bz k̂, entonces:
~a ∧~b =
∣∣∣∣∣∣
ı̂ ̂ k̂
ax ay az
bx by bz
∣∣∣∣∣∣
= (aybz − azby )̂ı+
(azbx − axbz)̂+
(axby − aybx)k̂
(4.4)
F́ısica General. http://www.ele.uva.es/˜imartin/libro/index.html 25
CAPÍTULO 4. INTRODUCCIÓN AL CÁLCULO VECTORIAL
Expresión anaĺıtica del producto vectorial
◦ Tomando ~a∧~b = ~c henos exigido que tanto ~a⊥~c como que ~b⊥~c. Es decirAmpliación
axcx + aycy + azcz = 0
bxcx + bycy + bzcz = 0
. (4.5)
Además parece lógico suponer que este nuevo vector deberá ser “indepen-
diente” del sistema de coordenadas que elijamos, con lo cual vamos a tomar
uno en el que el vector ~a coincida con el eje y y el ~b se encuentre contenido en
el plano xy, formando entre ellos un ángulo θ.
Despejando cx en una de las ecuaciones (4.5) tenemos que
cx =
−aycy − azcz
ax
(4.6)
y, sustituyendo en la otra se consigue que
cy =
−bzczax + bxaycy + bxazcz
byax
. (4.7)
Operando un poco en la expresión (4.7) de tal forma que podamos expresar
cz en función de cy tendremos que
cz =
cy (byax − bxay)
bxaz − bzax
(4.8)
y ahora no queda más que ver el significado de esta expresión para lograr el
resultado final.
De las relaciones (4.5) tenemos que ~c debe ser perpendicular tanto a ~a
como a ~b y, por tanto, en el caso concreto que hemos elegido, ~c debe estar
en el eje z, es decir, ~c = λk̂. Ahora bien, precisamente por esta misma razón
cy = 0 y, según la relación (4.8) cz debeŕıa ser también cero, cosa que no tiene
sentido. Una posible solución seŕıa hacer ver que la relación no es válida porque
estamos dividiendo por cero, y, ya que cy también es cero, igualar ambos
términos. Aśı tendŕıamos cy = bxaz − bzax y podŕıamos simplificar cy con el
denominador2. Una vez extráıdo cy se tendŕıa también que cz = byax − bxay,
y sólo quedaŕıa hallar cx usando nuevamente las ecuaciones (4.5). Quedaŕıa,
no en śı demostrado, pero si razonado, el por qué de expresar el producto
vectorial de la manera reseñada en (4.4).
Cálculo de áreas con el producto vectorial
Antes de nada: ¿cómo es posible qué el producto vectorial, que da como resultado
un vector, sea reutilizable para calcular un área?. Responder a esta pregunta es
sencillo si, para ello, tenemos en cuenta el módulo del producto vectorial, que será un
escalar.
Sabemos ya que |~a ∧ ~b| = ab sin φ donde φ representa el ángulo formado por
ambos vectores. Esto puede verse en la figura 4.1. También nos damos cuenta que
b sinφ puede interpretarse como la “altura” del triángulo formado por ~a, ~b y la
unión de sus dos extremos. Con lo que resulta que |~a ∧~b| resulta ser la base a por
la altura b sin φ, y por tanto
|~a ∧~b|
2
= Atria
donde Atria es el área del triángulo anteriormente dicho.
2Teniendo presente que esta simplificación está muy tomada por los pelos... ya que se trata de
0
0
.
26 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
CAPÍTULO 4. INTRODUCCIÓN AL CÁLCULO VECTORIAL
a
b
b sin
b cos
φ
φ
φ
Figura 4.1: El ángulo entre dos vectores y sus proyecciones.
4.3.5. Producto mixto
A veces se define el producto mixto entre tres vectores ~a, ~b y ~c como
~a · (~b ∧ ~c). (4.9)
Este producto, cuyo resultado puede verse que va a ser un escalar, se puede calcular
también como el determinante de la matriz 3 ∗ 3 que se forma con las componentes
de los vectores, es decir
∣∣∣∣∣∣
ax ay az
bx by bz
cx cy cz
∣∣∣∣∣∣
= axbxcx + cxaybz + azbxcy − azbycx − aybxcz − axbzcy.
Una de las utilidades del producto mixto es que da el volumen de un paraleleṕıpe-
do formado con las aristas de los vectores ~a, ~b y ~c, ya que si manejamos un poco
(4.9) tenemos que:
~a · (~b ∧ ~c) =
= a|~b ∧ ~c| cos φ
= abc sinψ cos φ.
donde bc sin ψ no es sino el área de la base del paralelogramo (ver sección 4.3.4) y
a cos φ resulta ser la altura de dicho paraleleṕıpedo. El área de la base por la altura
nos da el volumen de este tipo de cuerpos geométricos.
◦ Seŕıa un buen ejercicio para el lector intentar demostrar más rigurosa- Ampliación
mente estas últimas afirmaciones
F́ısica General. http://www.ele.uva.es/˜imartin/libro/index.html 27
CAPÍTULO 4. INTRODUCCIÓN AL CÁLCULO VECTORIAL
28 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
Caṕıtulo 5
Cinemática
5.1. Introducción
Cinemática es la parte de la f́ısica que estudia el movimiento de los cuerpos,
aunque sin interesarse por las causas que originan dicho movimiento. Un estudio de
las causas que lo originan es lo que se conoce como dinámica.
Las magnitudes que define la cinemática son principalmente tres, la posición, la
velocidad y la aceleración.
Posición es el lugar en que se encuentra el móvil en un cierto instante de tiempo t.
Suele representarse con el vector de posición ~r. Dada la dependencia de este
vector con el tiempo, es decir, si nos dan ~r(t), tenemos toda la información
necesaria para los cálculos cinemáticos.
Velocidad es la variación de la posición con el tiempo. Nos indica si el móvil se
mueve, es decir, si vaŕıa su posición a medida que vaŕıa el tiempo. La velocidad
en f́ısica se corresponde al concepto intuitivo y cotidiano de velocidad.
Aceleración indica cuánto vaŕıa la velocidad al ir pasando el tiempo. El concepto
de aceleración no es tan claro como el de velocidad, ya que la intervención
de un criterio de signos puede hacer que interpretemos erróneamente cuándo
un cuerpo se acelera (a > 0) o cuándo se “decelera” (a < 0). Por ejemplo,
cuando lanzamos una piedra al aire y ésta cae es fácil ver que, según sube
la piedra, su aceleración es negativa, pero no es tan sencillo constatar que
cuando cae su aceleración sigue siendo negativa porque realmente su veloci-
dad está disminuyendo, ya que hemos de considerar también el signo de esta
velocidad.
5.2. Velocidad
Se define velocidad media como
~vm =
∆~r
∆t
tomando los incrementos entre los instantes inicial y final que se precisen.
No obstante, aunque la velocidad media es una magnitud útil, hay que destacar
que en su cálculo se deja mucha información sin precisar. Aśı, aunque sepamos que
la velocidad media de un móvil desde un instante 1 a otro 2 ha sido “tantos” metros
por segundo, no sabremos si los ha hecho de forma constante, o si ha ido muy lento
al principio y rápido al final o si. . . por eso se define una magnitud que exprese
29
CAPÍTULO 5. CINEMÁTICA
la velocidad instantánea, es decir, la velocidad en cierto y determinado instante
y que pueda calcularse como una velocidad media donde los intervalos sean tan
pequeños que pueda decirse exactamente a qué velocidad se desplazaba el móvil en
cada instante. Es fácil darse cuenta de que esta definición se logra tomando como
velocidad instantánea:
~v = ĺım
∆t→0
∆~r
∆t
y por tanto, coincide conla definición de derivada respecto al tiempo. Aśı pues se
define finalmente
~v =
d
dt
~r.
De esta definición se obtienen algunas consecuencias:
La dirección de ~v va a ser siempre tangente a la trayectoria.
El módulo de ~v puede calcularse, además de operando sobre el vector ~v, sabi-
endo que
|~v| = d
dt
s(t)
siendo s(t) la distancia que el móvil ha recorrido sobre la trayectoria1.
5.3. Aceleración
Aceleración es la variación de la velocidad en la unidad de tiempo. Se puede
definir una aceleración media entre dos instantes, inicial y final, como
~am =
~vf − ~vi
tf − ti
y, de manera análoga a la velocidad, puede definirse una aceleración instantánea
llevando estos instantes inicial y final muy cerca uno del otro, hasta tener aśı que
la aceleración instantánea es la derivada de la velocidad respecto al tiempo
~a =
d
dt
~v(t).
5.4. Componentes intŕınsecas de la aceleración
Tomando el vector velocidad como un módulo por un vector unitarios, es decir,
como
~v = |~v|v̂
y derivando se tiene que, utilizando la regla del producto para las derivadas (apéndice
C),
~a = (
d
dt
|~v|)v̂
︸ ︷︷ ︸
tangencial
+ |~v| d
dt
v̂
︸ ︷︷ ︸
normal
.
De estas dos componentes la primera se denomina aceleración tangencial porque,
como se desprende de su propia definición, su dirección es la del vector unitario v̂ y
es por tanto, tangente a la trayectoria. La otra componente es la aceleración normal.
1Intuitivamente, para un automóvil ~r seŕıan las coordenadas del coche vistas desde un sistema
de referencia elegido, y s(t) seŕıa la distancia recorrida por el automóvil que va marcando el
cuentakilómetros.
30 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
CAPÍTULO 5. CINEMÁTICA
De la aceleración tangencial diremos que su módulo es
|~at| =
d
dt
|~v| (5.1)
y su dirección
v̂ =
~v
|~v| .
Esta ~at se encarga de “medir” la variación de la velocidad sin importarle su dirección
ni sentido, sino solo su módulo, es decir, su “intensidad”.
En cuanto a la aceleración normal, se puede demostrar que su módulo es
|~an| =
|~v|2
R
, (5.2)
siendo R el radio de curvatura de la trayectoria, y que su dirección es siempre
perpendicular a la trayectoria y hacia el interior de la “curva”.
5.5. Clasificación de movimientos
Los movimientos se pueden clasificar según las componentes intŕınsecas de su
aceleración.
1. at = 0
a) an = 0. Movimiento rectiĺıneo a velocidad constante.
b) an = cte. Movimiento circular uniforme.
c) an 6= cte. Movimiento circular acelerado.
2. an = 0
a) at = 0. Movimiento rectiĺıneo a velocidad constante.
b) at = cte. Movimiento rectiĺıneo uniformemente acelerado.
c) at 6= cte. Movimiento rectiĺıneo acelerado.
3. an 6= 0 y at 6= 0. Movimiento curviĺıneo.
5.6. Composición de movimientos
Los problemas de composición de movimientos tienen la dificultad de saber re-
specto a que sistema estamos resolviendo y por tanto determinar siempre las magni-
tudes respecto al sistema apropiado, bien el especificado por el problema, bien uno
elegido adecuadamente. Es común en este tipo de problemas la presencia de más de
un móvil y hay que ser muy cuidadoso para identificar correctamente que móviles
se mueven y respecto a qué.
5.6.1. Translación pura
Sus relaciones, que pueden deducirse fácilmente de la suma vectorial y posterior
derivación respecto al tiempo, son:
~r = ~r′ + ~r0
~v = ~v′ + ~v0
~a = ~a′ + ~a0
(5.3)
F́ısica General. http://www.ele.uva.es/˜imartin/libro/index.html 31
CAPÍTULO 5. CINEMÁTICA
Piedra
que cae.
Coche que
avanza
r
r
r
c
p
cp
Figura 5.1: Relación vectorial entre unos y otros sistemas. El conductor verá la
piedra que cae como ~rcp = ~rc − ~rp.
En donde intervienen el sistema “quieto” y el que se “mueve”, que es el “pri-
mado”. Las magnitudes con el sub́ındice 0 son las relativas entre los sistemas de
referencia.
Una estrategia que suele resultar bastante inteligible de plantear es la siguiente:
1. Plantear un sistema fijo, respecto al cual conocemos, al menos, cómo es el
movimiento de uno de los otros sistemas.
2. Dibujar entonces el vector de posición que buscamos (generalmente el de un
sistema respecto al otro).
3. Relacionar estos vectores entre śı como sumas unos de los otros.
Se ha dibujado esto en la figura 5.1.
Una vez que conocemos el vector de posición se puede extraer el resto de infor-
mación derivando o realizando la operación matemática necesaria.
5.6.2. Rotación pura
En este caso suponemos que un sistema gira respecto al otro con una velocidad
angular constante ω, pero manteniendo el origen en común.
La fórmula interesante es la que relaciona sus velocidades
~v = ~v′ + ~ω × ~r (5.4)
que presenta una dificultad un poco mayor de deducción, y por eso no se expresa
aqúı.
Las magnitudes que aparecen en esta fórmula son ~v, que es la velocidad que el
móvil presenta respeto al sistema “fijo”. ~v′, la velocidad del móvil vista desde el
sistema que rota, y ω que es la velocidad angular con la cual el sistema móvil rota
respecto al “fijo”, aunque siempre manteniendo en común su origen de coordenadas.
Por ejemplo, si hubiera una mosca posada en el eje de un tocadiscos y girando
con él a una cierta velocidad angular ω, que observara a un mosquito avanzar
por el disco con una velocidad ~v′, vista desde el punto de vista de la mosca, que
está rotando, en este caso:
~v Seŕıa la velocidad del mosquito vista desde el eje del tocadiscos, pero el
observador fijo, es decir, sin girar.
~v′ es la velocidad con la cual la mosca, que gira, ve al mosquito desplazarse
por el disco.
32 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
CAPÍTULO 5. CINEMÁTICA
ω es la velocidad angular del disco.
~r es el vector de posición del mosquito, en el sistema fijo.
5.7. Resolución de problemas
5.7.1. Tiro parabólico
Se denomina tiro parabólico, en general, a aquellos movimientos que suceden de
forma bidimensional sobre la superficie de la tierra.
Para este tipo de móviles el movimiento se descompone en sus componentes2 x
e y. El movimiento en x no sufre aceleración, y por tanto sus ecuaciones serán
Eje x
{
x = x0 + v0xt
vx = v0x
(5.5)
pero en cambio en el eje y se deja sentir la fuerza de la gravedad, supuesta constante3
y por tanto sus ecuaciones serán
Eje y
{
y = y0 + v0yt − 12gt2
vy = v0y − gt . (5.6)
Algunas preguntas t́ıpicas del tiro parabólico son calcular el alcance y altura
máxima. Estas preguntas se pueden contestar sabiendo que la altura máxima se
alcanzará cuando vy = 0. De esta condición se extrae el tiempo que tarda en alcanzar
la altura máxima y sustituyendo en la ecuación de las y se obtiene la altura máxima.
El alcance máximo se puede calcular razonando que, para cuando esto suceda, el
móvil volverá estar al nivel del suelo y por tanto y = 0, sustituyendo se obtiene t
y, sustituyendo éste en las x el resultado. Otras cantidades se pueden conseguir de
manera similar.
⋄ x0 e y0 serán las coordenadas donde el móvil se encuentra en el instante Nota
t = 0, inicio del movimiento, y vx0 y vy0 la velocidad con la que se mueve
en ese instante. Si nos han indicado que el móvil se mov́ıa con una velocidad
v formando un ángulo α con la horizontal se puede ver muy fácilmente que,
entonces, vx0 = v cos α y vy0 = v sin α.
A su vez el significado de las variables x e y es el siguiente: éstas nos
indican a que distancia horizontal (x) y altura (y) se encuentra el móvil en cada
instante de tiempo t, considerando que estamos tomando como origen para
medir estas distancias horizontales y alturas desde el sistema de coordenadas
respecto al cual estemos tomando todos los demás datos.
◦ Se podŕıa hacer un estudio más complejo incluyendo el rozamiento del Ampliación
aire. Para esto habrá que modificar las ecuaciones x e y a las nuevas ecuaciones
deducidas en el apéndice B.
5.7.2. Componentes intŕınsecas
P Sea un móvil cuyo vector de posición es Problema
~r = (7 − 3t)̂ı + (5t − 5t2)̂ + 8k̂ (m).
Calcular su velocidad, aceleracióny componentes intŕınsecas de ésta,
aśı como el radio de la trayectoria para t = 0,5s.
F́ısica General. http://www.ele.uva.es/˜imartin/libro/index.html 33
CAPÍTULO 5. CINEMÁTICA
R Derivo para encontrar ~v y ~a. Una primera vez Resolución
~v =
d
dt
~r = −3ı̂ + (5 − 10t)̂m
s
y una segunda vez
~a =
d
dt
~v = −10̂m
s2
.
Ahora calculo el módulo de la velocidad:
|~v| =
√
9 + (5 − 10t)2 =
√
34 − 100t + 100t2 m
s
que, derivado respecto al tiempo nos dará el módulo de ~at.
|~at| =
d
dt
√
34 − 100t + 100t2 = 100t − 50√
34 − 100t + 100t2
m
s2
y multiplicando por el unitario de ~v, que es
v̂ =
−3ı̂ + (5 − 10t)̂√
34 − 100t + 100t2
nos da el vector ~at
~at =
100t − 50
34 − 100t + 100t2 (−3ı̂ + (5 − 10t)̂).
m
s2
Por último podemos calcular ~an como ~a − ~at. Haciendo las oportunas
sustituciones tendremos que para t = 0,5s, ~v = −3ı̂ m
s
, ~a = −10̂ m
s2
,
~at = ~0
m
s2
con lo cual ~an = −3̂ ms2 y de esta forma, podremos despejar el
radio de la trayectoria, que será
R =
v2
an
= 3m.
5.7.3. Cálculo de trayectorias
P Dado el vector de posición de un móvilProblema
~r = 15t̂ı + (200 − 5t2)̂,
calcule la ecuación de su trayectoria.
R Este tipo de problemas se resuelve en general despejando t en unaResolución
de las ecuaciones de x o de y y sustituyendo en la otra, encontrando
aśı x en función de y o al revés. En este caso tenemos que
x = 15t ⇒ t = x
15
y sustituyendo en
y = 200 − 5t2
tendremos
y = 200 − 5
( x
15
)2
⇒ y = 200 − 1
45
x2.
2Vectores ı̂ y ̂.
3Aproximación válida siempre que el tiro discurra en la superficie terrestre o “apreciablemente”
en la superficie terrestre.
34 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
Caṕıtulo 6
Dinámica
6.1. Introducción
Aśı como la cinemática se encarga de la descripción del movimiento de los cuer-
pos, aunque sin entrar en detalles de la causa que hace mover a éstos, la dinámica
estudia precisamente por qué se mueven los cuerpos, es decir, cuáles son las causas
que crean la variación de su estado de movimiento.
6.2. Leyes de Newton
6.2.1. Ley de la inercia
La ley de la inercia se podŕıa enunciar como
⊲ Todo cuerpo permanece en su estado actual de movimiento con Recuerda
velocidad uniforme o de reposo a menos que sobre él actúe una fuerza
externa neta o no equilibrada.
donde la fuerza neta de la que hablamos antes seŕıa la suma vectorial de todas las
fuerzas que puedan actuar separadamente sobre el cuerpo.
⋄ Ésta es la razón por la cual es tan peligroso para los astronautas en Nota
el espacio separarse de la nave sin un cordón que los una a ella, ya que si
chocan con algo y salen impulsados, como no actúa ninguna fuerza sobre
ellos, seguirán desplazándose uniformemente y separándose de la nave sin
posibilidad de volver a ella (a no ser que tengan un pequeño impulsor).
6.2.2. Segunda ley de Newton
Esta ley es la más importante en cuanto nos permite establecer una relación
numérica entre las magnitudes “fuerza” y “aceleración”. Se podŕıa enunciar como
⊲ La aceleración que toma un cuerpo es proporcional a la fuerza neta Recuerda
externa que se le aplica.
La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, con lo que numéricamente
esta expresión se denota como
~F = m~a (6.1)
o, en componentes
Fi = mai, i = 1, 2, 3 (6.2)
35
CAPÍTULO 6. DINÁMICA
donde ~F representa la resultante de todas las fuerzas externas al cuerpo, es decir,
la suma de dichas fuerzas. ~F =
∑ ~Fj , j = 1, ...
Esta expresión nos relaciona ~F , m y ~a de una forma uńıvoca. Básicamente nos
dice que el resultado que producen una serie de fuerzas sobre un cuerpo es que dicho
cuerpo se acelere en la misma dirección y sentido que la suma de las fuerzas que le
son aplicadas y con una intensidad o módulo que será la misma que la resultante
de las fuerzas dividida entre la masa del cuerpo.
⋄ Aśı pues un cuerpo experimenta una aceleración mientras está sien-Nota
do sometido a una fuerza resultante no nula. Si dicha fuerza cesa el cuerpo
adquiriŕıa un movimiento rectiĺıneo uniforme o se quedaŕıa quieto, según el
caso.
6.2.3. Tercera ley de Newton
La tercera ley de Newton expresa una interesante propiedad de las fuerzas: éstas
siempre se van a presentar en parejas. Se puede enunciar como
⊲ Si un cuerpo A ejerce, por la causa que sea, una fuerza F sobreRecuerda
otro B, este otro cuerpo B ejercerá sobre A una fuerza igual en módulo
y dirección, pero de sentido contrario.
Gracias a esta ley1 se pueden entender fenómenos como que, para saltar hacia
arriba ¡empujamos la Tierra con todas nuestras fuerzas hacia abajo!. Al hacer esto
la Tierra también ejerce esta misma fuerza con nosotros, pero con sentido contrario
(es decir, hacia arriba) y como la masa de la Tierra es enorme en comparación
con la nuestra, el resultado es que nosotros salimos despedidos hacia arriba pero
la Tierra no se mueve apreciablemente. Aśı también si empujamos una superficie
puntiaguda con mucha fuerza, podemos clavárnosla, porque dicha superficie también
estará empujando nuestro dedo con la misma fuerza que nosotros a ella, y como la
superficie de la aguja es much́ısimo menor la presión que esta hace sobre nuestro
dedo es muy grande.
⋄ Entonces, si a toda fuerza que se ejerce se opone otra de sentido contrarioNota
¿no debeŕıan anularse las fuerzas y nada se podŕıa mover?. No, porque las
fuerzas se ejercen en cuerpos diferentes. Aśı en el ejemplo del salto, nosotros
empujamos a la Tierra y la Tierra a nosotros, pero estas fuerzas no se anulan
porque, como es evidente, nosotros y la Tierra somos cuerpos distintos.
6.3. Fuerzas especiales que aparecen en problemas
6.3.1. Normal
Por normal se entiende la fuerza con la que una superficie se opone a un cuerpo
que se le sitúa encima. Si no existiera esta fuerza el cuerpo se “hundiŕıa” en la
superficie. Ésta es, por tanto, la fuerza de reacción que, obediente al tercer principio
de Newton, la superficie opone al empuje que el cuerpo, por encontrarse encima,
hace sobre ella.
Esta fuerza es siempre normal a la superficie, es decir, perpendicular a ésta. Para
calcular su valor hay que ser bastante cuidadoso y hacer un balance de las fuerzas
en los ejes que tomemos, utilizando la normal para compensar las otras fuerzas de
la forma en que sea necesario.
P Calcule la normal que una mesa ejerce sobre un cuerpo de 10kg siProblema
el cuerpo está en reposo.
1También llamada ley de acción y reacción
36 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
CAPÍTULO 6. DINÁMICA
R Si el cuerpo está en reposo significa que su aceleración total es Resolución
nula. Entonces aplicando la segunda ley de Newton a un eje vertical
tendremos que
0 = N − P
donde hemos supuesto que la mesa está perfectamente horizontal y por
tanto la normal tendrá sólo una componente en el eje y. Aśı tendremos
que N = P y por tanto en este caso N = mg.
El cálculo de la normal en un caso donde haya un cuerpo deslizándose por una
rampa puede encontrarse en la sección 6.6.
6.3.2. Rozamiento
Entre dos superficies
El rozamiento entre superficies se expresa como
Fr = µN,
siendo siempre de sentido opuesto al del movimiento. Este resultado no se puede
“demostrar” porque se trata de un resultado emṕırico, es decir, fruto de la experi-
mentación.
El coeficiente de rozamiento µ es adimensional y expresa aśı la relación entre
la normal que el cuerpo ejerce, es decir, la fuerza con la que el cuerpo empuja la
superficie debajo de la cual se encuentra, y el rozamiento que va a sufrir por causa
de este empuje. Puede haber dos tipos de coeficiente de rozamiento. Un µ estático,
que se aplica cuando el cuerpo está quieto y que aśı, utilizado en Fr = µN nos va a
ofrecer la fuerza máxima con la que el rozamiento se va a resistir a que se mueva un
cuerpo que está quieto, y un µ dinámico que, aplicado en la fórmula de rozamiento,
nos dice la fuerza que el rozamiento está realizando contra un movimiento.
P Un cuerpo de 4kg está deslizando por una superficielisa con coefi- Problema
ciente de rozamiento (dinámico) µ = 0,25. Si sobre este cuerpo no actúan
más fuerzas que el peso y dicha fuerza de rozamiento ¿con qué acel-
eración se mueve el cuerpo?.
R Aplicando la ecuación de Newton al eje y del movimiento obten- Resolución
emos que, en este eje, las fuerzas que aparecen son el peso y la normal
y, por tanto,
N − P = may.
Como ay = 0 (un cuerpo sobre una superficie no va “botando” sobre
ella, su altura, medida sobre la superficie, es siempre 0.) tendremos que
N = mg. Aplicando ahora Fx = max tenemos que la única fuerza en el
eje x es la de rozamiento, y por tanto
Fx = −Fr = −µN = max ⇒ ax = −µg
de donde ax = −2,45 ms2 . El signo ‘-’ se debe a que, como estamos
suponiendo impĺıcitamente que el cuerpo avanza hacia el signo posi-
tivo de las x, el rozamiento se opondrá al avance y tendrá, por tanto,
signo negativo.
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CAPÍTULO 6. DINÁMICA
Con un fluido
◦ Rozamiento con un fluido2 se expresa con Ampliación
~Fr = −K~v
o bien
Fr = −Kv
2
u otras potencias de v. Una aplicación algo compleja sobre la forma de uti-
lizar esta fuerza de rozamiento puede verse en el apéndice B. No es sencillo
demostrar por qué esta contribución nos aporta el rozamiento contra un fluido
y, en algunos casos, es por medio de la experimentación como se encuentra
una fórmula emṕırica más precisa.
Tensión
En problemas que intervienen cuerdas o poleas tensión es la fuerza que liga unos
cuerpos y otros a través de la cuerda. La tensión en cada extremo de una misma
cuerda es siempre igual pero de sentido contrario. Si esta tensión supera un cierto
valor cŕıtico la cuerda se rompeŕıa.
6.4. El momento lineal
La ley de Newton, expresada como ~F = m~a puede ser utilizada también para
demostrar otras relaciones interesantes, siempre que se manipule adecuadamente.
Por ejemplo, si definimos una cantidad ~p a la que llamaremos cantidad de
movimiento, podemos decir que una fuerza es la encargada de variar la cantidad de
movimiento sobre un cuerpo. De esta forma definamos ~p tal que
~F =
d
dt
~p.
La pregunta será ahora ¿tendrá ~p alguna expresión conocida?. Supongamos que
un cuerpo con masa constante va a cierta velocidad ~v. Una fuerza sobre él de-
berá producirle una aceleración y, por tanto variar su velocidad y su momento
lineal. Aśı pues velocidad y momento lineal deben de ir relacionados de alguna for-
ma. Efectivamente tomando ~p = m~v nos damos cuenta de que d
dt
m~v cuando m es
constate es m d
dt
~v = m~a = ~F .
Por tanto hemos descubierto una nueva magnitud ~p que nos será de gran utilidad
para desarrollos sucesivos.
⋄ Una forma intuitiva de comprender el momento lineal es como una formaNota
de medir la dificultad de llevar una part́ıcula hasta el reposo. Aśı es claro
que, cuanto más masivo sea un cuerpo y más velocidad tenga, tanto más nos
costará “parar” el movimiento de dicho cuerpo.
6.4.1. Conservación del momento lineal
Cuando la resultante de las fuerzas externas sobre un sistema es nula, ¿qué sucede
con ~p?. Como la fuerza es la derivada del momento lineal respecto al tiempo, obten-
emos que, cuando la fuerza total es cero, esta cantidad que se deriva debe ser
constante y, por tanto, si ~F = ~0 esto supone ~p = cte. Hemos obtenido aśı que esta
magnitud tan interesante, el momento lineal, se conserva, es decir, no vaŕıa, cuando
no aparecen fuerzas externas sobre un objeto. Por tanto podemos decir que
~pi = ~pf .
2Aire, agua, aceite...
38 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
CAPÍTULO 6. DINÁMICA
mg senα
mg cosα
x
y
α
N
mg
α
Figura 6.1: Descomposición de las fuerzas en un plano inclinado.
La importancia de esta igualdad se podrá ver mejor cuando hablemos de los
sistemas de part́ıculas, concretamente en la sección 8.3.3.
6.5. Conservación de la enerǵıa
Cuando en un problema intervienen sobre el sistema únicamente fuerzas con-
servativas3 se pude aplicar el teorema de conservación de la enerǵıa. Esto supone
que
Ei = Ef ,
siendo Ei y Ef las sumas de las enerǵıas potenciales más la enerǵıa cinética en los
momentos i y f4.
La explicación de esta igualdad tan interesante no se expresa aqúı porque se
verá más concretamente en el caṕıtulo 7.4.
6.6. Resolución de problemas
6.6.1. Planos inclinados
Es común en los problemas la presencia de planos inclinados. En estos casos
habrá que tener en cuenta que, aśı como la gravedad siempre se presenta vertical, la
normal será perpendicular al plano inclinado, por lo que ningún sistema de coorde-
nadas ortogonal tendrá exactamente comprendidas las fuerzas en acción en sus ejes.
Esta pequeña dificultad se soslaya de una manera simple, se proyectan las fuerzas
sobre los ejes que estemos utilizando.
Una buena elección suele ser tomar el eje y en la normal al plano inclinado, y el
eje x acorde con su superficie de deslizamiento. De esta forma la normal estará to-
talmente comprendida en el eje y, y sólo habrá que considerar las proyecciones de
g usuales; g cos α para la normal y g sinα la componente de la gravedad que hace
desplazarse el veh́ıculo hacia abajo en el plano inclinado. Todo esto se puede ver en
la figura 6.1.
P Un cuerpo desliza por una rampa inclinada 30o y con un coeficiente Problema
3Básicamente, siempre que no hay rozamiento.
4Llamados aśı por inicial y final.
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CAPÍTULO 6. DINÁMICA
α β
1
2
µ µ1 2
m
m
Figura 6.2: ¿Cuál será la aceleración de este sistema?
de rozamiento µ = 0,2. Calcular la aceleración con la que desciende
suponiendo que g = 9,8 m
s2
.
R Tomemos para enfocar este problema el gráfico representado en laResolución
figura 6.1. Habremos de aplicar la ecuación de Newton
~F = m~a
para un sistema adecuado de ejes. Se van a tomar como ejes unos tales
que el eje x presente la misma inclinación que la rampa. De esta forma
planteando la ecuación primero para el eje y:
Fy = may
y como las fuerzas en el eje y son la normal (componente positiva) y la
proyección sobre este eje y del peso (componente negativa) tendremos
que
N − mg cos 30 = ma.
Ahora hay que darse cuenta que, en el eje y el cuerpo no se acelera
porque, como en ningún momento se despega de la superficie, siempre
su y = y, por tanto, ay = 0. Aśı que tenemos que N − mg cos 30 = 0 ⇒
N = mg cos 30.
Para el eje x tenemos dos fuerzas, la proyección sobre nuestro eje x
del peso y la fuerza de rozamiento. Aśı pues
Fx = max ⇒ mg sin 30 − µN = max
y haciendo las oportunas sustituciones podemos despejar ax, que es la
aceleración del sistema.
ax = g sin 30 − µg cos 30 ≈ 3,2
m
s2
.
Cuando aparecen varios cuerpos unidos por cuerdas hay que hacer este mismo
análisis para cada cuerpo, incorporando como fuerza la tensión que ejercen las cuer-
das y dándose cuenta de que ax será la misma para todos los cuerpos, puesto que
si se encuentran unidos por cuerdas su movimiento será solidario.
P Encontrar la aceleración del sistema dibujado en la figura 6.2.Problema
40 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
CAPÍTULO 6. DINÁMICA
R Tomemos primero el cuerpo 1 y analicemos las fuerzas que apare-
Resolución
cen sobre él. Podemos, aprovechando el análisis del problema anterior,
darnos cuenta de que un estudio de las fuerzas perpendiculares a la su-
perficie va a darnos sólo como resultado que N1 = m1g cos α. Aśı que
las fuerzas horizontales serán, tomando como sentido positivo hacia la
derecha:
1. La tensión, positiva.
2. La componente x del peso, de valor −m1g sinα.
3. El rozamiento, que será −µ1N1 = −µ1m1g cos α.
Para el cuerpo 2 se tendrán las fuerzas:
1. Tensión, negativa para este cuerpo. −T
2. Componente x del peso: m2g sinβ.
3. Rozamiento, −µ2N2 = −µ2m2g cos β.
Queda ahora plantear el sistema de ecuaciones que resolverá este prob-
lema. Antes hay que darse cuenta que la componente x de la aceleración
debe ser la misma para ambos cuerpos, ya que vansolidarios gracias a
la cuerda. Llamaremos a esta componente de la aceleración simplemente
a.
T − m1g sinα − µ1m1g cos α = m1a
−T + m2g sinβ − µ2m2g cos β = m2a
}
.
Resolviendo este sistema (por ejemplo sumando las ecuaciones miembro
a miembro) se obtiene fácilmente que
a =
m2 sinβ − µ2m2 cos β − m1 sinα − µ1m1 cos α
m1 + m2
g.
6.6.2. Curvas
Cuando aparecen problemas de estabilidad en las curvas pueden ser de los tipos
explicados a continuación y cuya representación se ha pretendido en la figura 6.3.
Curvas sin peraltar
En estos casos la fuerza de rozamiento es la que nos proporciona toda la com-
ponente normal que servirá para tomar la curva. Siempre que tengamos que ésta
es mayor que la aceleración normal el automóvil será capaz de tomar la curva, es
decir, el caso ĺımite se alcanza cuando
Fr = man = m
v2
R
.
Curvas peraltadas sin rozamiento
En estos casos se toma la proyección de la normal sobre la horizontal como
causante de la fuerza centŕıpeta. Este caso se puede ver en la figura 6.3b y se tiene,
simplemente, que:
tan α =
m v
2
R
mg
=
v2
Rg
.
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CAPÍTULO 6. DINÁMICA
mg
a)
F r
mg
b)
FI - 1313 - J
mg
F n
Ángulo
máximo
c)
N
α
Figura 6.3: Distintas situaciones ante una curva.
Curvas peraltadas con rozamiento
Este es un caso bastante más complejo de analizar. Podŕıa ser un buen ejercicio
para el lector intentar demostrar que, en este caso, la velocidad ĺımite para tomar
la curva siendo g la aceleración de la gravedad, µ el coeficiente de rozamiento, α el
ángulo de inclinación de la curva y R el radio de la misma, es
v =
√
Rg
µ + tan α
1 − µ tan α.
Vuelcos
En otras situaciones se pide que analicemos si vuelca o no un automóvil. Se
considera que vuelca cuando la fuerza sobre el centro de masas supera el ángulo que
forma el centro de masas con alguno de los extremos donde se apoya el veh́ıculo.
Un dibujo puede verse en la figura 6.3. (Este apartado necesita actualización).
6.6.3. Casos ĺımite
Es común la existencia de problemas en los que se nos pregunta por un caso
ĺımite, relacionado con cuando un móvil se saldrá de un determinado recorrido,
o podrá dar una vuelta completa en un bucle, o similar. En estos casos hay que
tener en cuenta, simplemente, que un cuerpo permanecerá adherido a una superficie
mientras exista una cierta reacción de la superficie al cuerpo, es decir, mientras la
normal no sea nula. Cuando la normal es nula estamos ante el caso ĺımite.
También es muy conveniente recordar que, en la mayoŕıa de estos casos, los
cuerpos siguen una trayectoria circular. Pues bien, habrá que recordar que este
recorrido circular sólo es posible si existe una aceleración centŕıpeta del módulo
adecuado a la velocidad y radio de la trayectoria, (ver (5.1) y (5.2)) con lo que
habrá que realizar la descomposición oportuna de fuerzas para ver qué parte es la
que suministra esta componente y, cuando las fuerzas exteriores no sean capaces de
suministrar esta aceleración normal, nos hallaremos con el caso ĺımite y el cuerpo
se saldŕıa de su trayectoria circular o, en definitiva, dejaŕıa de hacerla.
P Calcular la altura mı́nima desde la que hay que dejar caer unProblema
objeto para que logre dar la vuelta a un bucle entero, como el dibujado
en la figura 6.4. Se desprecian todos los rozamientos que pudiere haber.
42 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
CAPÍTULO 6. DINÁMICA
h
R
A
B
Figura 6.4: ¿Desde qué altura podrá una masa realizar un bucle?.
R Analizando las fuerzas que se ejercen sobre el cuerpo cuando ésteResolución
se encuentre en el punto B de la trayectoria, tenemos que, tomando
como sentido positivo hacia arriba, el peso será −mg, la normal en
este caso es hacia abajo porque la fuerza que realiza la superficie sobre
el cuerpo es siempre evitando que este “atraviese” la superficie, y en
este caso “atravesar” la superficie supondŕıa empujarla en exceso hacia
arriba, con lo cual, tomando N como el módulo de la normal, la normal
será −N . Por último el efecto de estas dos fuerzas será producir una
aceleración pero, como en este caso el objeto está rotando, no será una
aceleración cualquiera sino una aceleración puramente normal y, por
tanto, de módulo
a =
v2
R
y sentido también hacia abajo (hacia el centro de la curva). De esta
manera tendremos que el análisis de fuerzas en la parte más alta del
bucle (punto B) es
−mg − N = −mv
2
R
.
¿Qué significa esta fórmula?. Lo que significa es que son el peso y la
normal, los que “empujan” al cuerpo hacia abajo obligándole a girar y
realizar una trayectoria circular. Ahora bien, si “mentalmente” vamos
disminuyendo v en la fórmula, nos damos cuenta de que el término de
la aceleración normal va siendo más pequeño, y por tanto la fuerza
centŕıpeta también. ¿Cómo se logra esto?. Como el peso es constante
sólo se puede lograr disminuyendo la fuerza que ejerce la normal. Cuando
la fuerza centŕıpeta sea igual que el peso del cuerpo tendremos que en
este instante la normal es cero. ¿Y si es menor la fuerza centŕıpeta que
el peso?. Entonces debeŕıamos tener una normal positiva, es decir, que
“empujara” hacia arriba. Pero esto es imposible, porque claramente se ve
que las superficies no “absorben” los cuerpos, que es lo que supondŕıa que
la normal tuviera signo contrario. Por lo tanto si m v
2
R
< mg el cuerpo no
puede rotar correctamente y caeŕıa saliéndose del bucle. Intuitivamente
sucede que, como la fuerza centŕıpeta no necesita tanto peso, “sobra
componente vertical” y, por tanto, el cuerpo cae.
Aśı pues deducimos que la velocidad ĺımite con la que debe llegar el
cuerpo arriba es tal que m v
2
R
= mg ⇒ v = √gR.
F́ısica General. http://www.ele.uva.es/˜imartin/libro/index.html 43
CAPÍTULO 6. DINÁMICA
Por último, para relacionar esta velocidad con la altura utilizamos el
teorema de conservación de la enerǵıa, ya que no hay rozamientos. Aśı
EAc + E
A
p = 0 + mgh
EBc + E
B
p =
1
2mv
2 + 2mgR
}
⇒ mgh = 1
2
m
(√
gR
)2
+ 2mgR
y con un simple cálculo se obtiene que
h =
5
2
R.
Aunque entender intuitivamente de donde sale este 12R más de lo
que parece que se necesita para llegar al punto más alto del bucle no
es sencillo, si puede intentarse pensando que, al llegar a la parte más
alta del bucle se requiere un mı́nimo de enerǵıa cinética para seguir
desplazándose hacia la derecha, pero la suficiente para que el cuerpo
siga girando. Este mı́nimo lo proporciona esa altura extra.
44 (C) Ignacio Mart́ın Bragado. imartin@ele.uva.es
Caṕıtulo 7
Consideraciones energéticas
7.1. Introducción
Los conceptos de trabajo y enerǵıa son de gran importancia en f́ısica, y también
son muy utilizados en la vida cotidiana. No obstante el uso habitual de estos con-
ceptos en la vida diaria no siempre coincide con su idea f́ısica, por lo que habrá que
tratar la intuición con cierto cuidado cuando la apliquemos a las situaciones en las
que intervienen el trabajo y la enerǵıa.
7.2. Trabajo
Se define trabajo como
W =
∫
~F · d~r. (7.1)
La unidad del trabajo es el Julio. Un Julio equivale a un Nm. Si la fuerza
aplicada es constante, entonces se puede decir que
W = ~F · ~r = Fr cos α, (7.2)
en donde α es el ángulo que existe entre la ĺınea de aplicación de la fuerza y el
desplazamiento del cuerpo.
⋄ Se tiene aśı que una fuerza aplicada perpendicularmente a un desplaza- Nota
miento no produce trabajo. Por ejemplo, avanzar horizontalmente mientras se
sujeta una bolsa no produce trabajo, porque la fuerza aplicada es vertical y,
por tanto, perpendicular al desplazamiento. ¿Cómo se puede entender esto
intuitivamente?. Realmente uno asocia la palabra trabajo con “cansancio” y,
por tanto, parece que llevar una pesada bolsa debeŕıa producir trabajo f́ısico,
porque cansa. Para entender esta situación podemos pensar que realmente no
es necesario sujetar personalmente la bolsa a cierta distancia del suelo, puesto
que esta misma acción